Численная реконструкция полей аэрозольного загрязнения снежного покрова в окрестностях промышленных предприятий по данным контактных и спутниковых наблюдений

Для численного моделирования распространения примесей в атмосфере требуются сведения о параметрах источников выброса, их количестве и взаимном расположении, функциях распределения спектров размеров частиц, текущих метеорологических и климатических условиях. При отсутствии этой информации возникает необходимость построения математических моделей, основанных на постановках соответствующих обратных задач переноса аэрозольных примесей с использованием данных наземного и спутникового мониторинга загрязнения.
В докладе обсуждаются результаты экспериментальных исследований локального и регионального мониторинга загрязнения снежного покрова в окрестностях крупных промышленных предприятий Западной и Восточной Сибири, включая Новосибирский электродный завод (НЭЗ), Омскую ТЭЦ-5, Норильский асфальто-бетонный завод. Для численного анализа процессов загрязнения локального масштаба использована малопараметрическая модель реконструкции полей выпадений [1], базирующаяся на асимптотике решения полуэмпирического уравнения переноса и диффузии примеси в приземном слое атмосферы. На основе этой модели проведён совместный анализ космоснимков ИСЗ и результатов снегового мониторинга в окрестностях НЭЗ. Были выделены основные источники техногенного загрязнения, расположенные на территории НЭЗ. Показано, что весьма значительный выброс полиароматических углеводородов в составе крупнодисперсных фракций происходит от высотных труб обжигового цеха; поступление тяжёлых металлов и компонентов ионного состава происходят от более низких источников НЭЗ. Были выявлены устойчивые количественные закономерности между значениями наземной концентрации пыли, рассчитанными с использованием модели реконструкции, данными наземного мониторинга загрязнения снежного покрова и интенсивностью изменения тонов серого цвета на спутниковых снимках по радиальным относительно основных источников направлениям. Показано, что в ближней зоне выпадений пыли для точечного источника характерна степенная связь, для площадного источника – линейная.
При численном описании полей концентраций примесей в атмосфере на значительных удалениях от источника возможны существенные упрощения. Экспериментальные и теоретические исследования показывают выравнивание концентрации примеси по высоте слоя перемешивания [2]. В зимнее время это происходит, начиная с расстояний порядка 5-7 км от источника. Для таких
расстояний влияние ряда параметров становится несущественным. К ним следует отнести высоту источника, скорость оседания аэрозольных частиц и т.д. Показано, что снижение концентрации примеси происходит обратно пропорционально расстоянию от источника. В рамках этой зависимости проведена её апробация на данных мониторинговых исследований регионального загрязнения снежного покрова пылевыми выбросами НЭЗ, ТЭЦ-5 г. Омска, предприятий г. Норильска. Установлены функциональные связи между изменениями тонов серого цвета на зимних панхроматических спутниковых снимках и динамикой уменьшения концентрации пыли по мере удаления от источников примесей. Показано, что для региональных масштабов выпадений пыли реализуется логарифмическая связь.
Использование асимптотического поведения полей концентраций примесей позволило построить экономичные по числу опорных точек модели реконструкции локального и регионального загрязнения территорий сосредоточенными и площадными источниками. Выявлены устойчивые количественные закономерности между полями выпадения взвешенных веществ и интенсивностью изменения тонов серого цвета на космических снимках в радиальных направлениях от крупных промышленных источников Новосибирской области, Омска, Норильска. Полученные зависимости позволяют существенно снизить затраты на проведение наземных мониторинговых исследований загрязнения территорий в окрестностях промышленных предприятий. По ограниченному числу опорных точек наблюдений может быть проведена пространственная реконструкция полей выпадений, выполнена оценка суммарных выбросов примесей.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 17-47-540342), Программы Президиума РАН.